论文部分内容阅读
本文概述了体温计以及集成温度传感器的发展历史、现状和趋势。阐述了CMOS集成温度传感器的原理和优势,指出了本课题的研究意义。分析了CMOS工艺下MOS器件的温度特性,对MOS电容和MOS模拟开关的结构做了研究。对基准源的类型和优缺点进行了分析和比较,指出带隙基准源的优点,选取了改进型带隙基准源的结构。研究了CMOS电路功耗的组成与产生原因,阐述了降低功耗的主要途径,并按照低功耗、高可靠性要求设计了体温计的整体电路。深入剖析了电路的失调机理,结合目前流行的斩波调制技术,设计了低失调基准电路。通过对各类集成温度传感器性能和特点的研究,设计了新的低功耗占空比调制型数字体温计电路,包括温度传感电路、一阶Σ-Δ调制电路和数字占空比检测电路。温度传感电路以衬底PNP型BJT作为感温元件,采用电流输出模式,按照带隙基准原理获得与绝对温度成正比(PTAT)电流以及与绝对温度成反比(CTAT)电流,并以前者作为与温度相关的原始电信号。在电路设计上一方面改进运放结构,采用低压共源共栅结构以提高其增益,另一方面整体传感电路采用自偏置结构和共源共栅电流镜结构,在低电源电压下成功设计了低功耗、低失调、高线性度和高电源电压抑制比的PTAT电流产生电路。根据前级温度传感电路的电流信号,在满足性能要求的前提下尽量简化电路,设计出的一阶Σ-Δ调制电路不但很好地完成了信号转换,而且更符合一体化结构的要求。电路中的偏置均由基准源提供,降低了功耗和芯片面积。选择折线插值法进行非线性校正,通过硬件描述语言Verilog对体温计的占空比检测电路进行了设计,采用Matlab软件进行拟合仿真,获得了分段线性化输出方程,最后将信号转换为BCD码,在七段数码显示屏上输出。选择了台积电0.25μm CMOS工艺库,利用HSPICE仿真工具对整个温度传感电路进行仿真测试,结果显示所设计体温计在30°C～50°C的温度范围内具有0.01°C以上的检测精度、0.1°C的显示精度和180μW的最小功耗。